石墨烯基锂离子电池负极材料的制备与性能研究

发布时间：2017-04-25 10:08

  本文关键词：石墨烯基锂离子电池负极材料的制备与性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：锂离子电池，也就是我们通常所说的蓄电池，，因其本身具有较高的输出电压、较高的能量密度、较高的安全性能、较好的循环性能、较小的自放电率、较高的充放电效率、无环境污染等诸多优点，成为新能源领域新一代的领导者，使得很多电子产品越来越轻便化、小型化。因此开发具有低生产成本、高安全性能、高物化性能的锂离子电池则成为当务之急。锂离子电池通常是由两种不同的电极材料、电解液、隔膜和电池壳等组成，而负极材料作为重要组成部分，对其电化学性能有着非常重要的影响，因此负极材料的储锂性能是锂离子电池性能好坏的重要判断标准之一。 石墨烯是碳负极材料的后起之秀，是纯粹的具有二维网状结构的单层碳原子，它具有较高的内在载流子迁移率（200000cm2V-1s-1）、优良的热传导率（5000Wm-1K-1）、非常高的光透过率（~97.7%）、较高的理论比表面积（2630m2g-1）和优异的机械性能。具有这些独特物化性质的石墨烯满足替代商业化的石墨负极成为锂离子电池负极材料的条件，然而纯石墨烯的能量密度无法满足人们最初对它的预期，使得石墨烯应用受到了很大的阻碍。 而在其他众多的负极材料中，硅因自身拥有很高的理论比容量4200mAh/g，丰富的自然储量，较低的操作电压，较低的成本，成为最有前途的负极材料。但是在锂离子电池的充放电过程中，锂离子反复在硅纳米颗粒中的嵌入和脱出使得硅纳米颗粒出现剧烈的体积膨胀和收缩，结果导致硅纳米颗粒的粉碎，进而导致锂离子电池结构的破坏，最终造成锂离子电池的循环稳定性很差，寿命大大缩短。 本论文采用氧化还原和水浴自组装的方法制备了氧化石墨烯、还原氧化石墨烯气凝胶以及还原氧化石墨烯气凝胶/硅纳米颗粒复合材料，进行表征并研究了其电化学性能。工作具体如下： 1、采用改良的Hummers法制备高纯度的薄层甚至单层的氧化石墨烯水分散液，而后以还原剂抗坏血酸水浴自组装还原制备三维多孔疏松的还原氧化石墨烯气凝胶，通过SEM、TEM、AFM、Raman、XPS、FTIR等测试手段对所这两种材料进行形貌和结构的表征，并将后者装配成纽扣半电池进行电化学性能的测试。结果显示，三维多孔疏松独巨石结构的的还原氧化石墨烯气凝胶作锂离子电池负极时具有良好的电化学性能。 2、采用机械超声混合法把制备好的氧化石墨烯分散液和硅纳米颗粒及改性后的硅纳米颗粒混合，以抗坏血酸为还原剂水浴自组装还原制备还原氧化石墨烯/硅纳米颗粒气凝胶、还原氧化石墨烯/改性硅纳米颗粒气凝胶，并对二者的形貌和结构进行表征，然后装配成扣式半电池进行复合材料电化学性能测试。结果显示，改性后的硅纳米颗粒与还原氧化石墨烯复合后具有更好的电化学性能，同时改善了硅纳米颗粒的分散性、降低了还原氧化石墨烯气凝胶片层的重新堆叠程度。
【关键词】：锂离子电池 负极材料 三维多孔还原氧化石墨烯 纳米硅 改性纳米硅
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ127.11;TM912
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 锂离子电池简介12-15
• 1.1.1 锂离子电池的优点12-13
• 1.1.2 锂离子电池的充放电机理13-14
• 1.1.3 锂离子电池负极材料的研究进展14-15
• 1.2 锂离子电池碳类负极材料的概况15-20
• 1.2.1 石墨16
• 1.2.2 无定形碳16-17
• 1.2.3 碳纳米管17-18
• 1.2.4 石墨烯18-19
• 1.2.5 石墨烯/金属材料复合物19-20
• 1.3 锂离子电池硅负极材料的概况20-23
• 1.3.1 单质硅20-21
• 1.3.2 硅的合金复合物21
• 1.3.3 硅碳复合物21-23
• 1.4 本课题的研究内容和意义23-26
• 1.4.1 本课题的研究内容23-24
• 1.4.2 本课题的研究意义24
• 1.4.3 本课题的创新点24-26
• 第二章 实验材料、实验方法及实验表征26-34
• 2.1 实验仪器与原材料26-29
• 2.1.1 实验仪器26-27
• 2.1.2 实验原材料27-29
• 2.2 电级片的制备及纽扣电池的装配29-30
• 2.2.1 电极片的制备29
• 2.2.2 纽扣锂离子半电池的装配29-30
• 2.3 电池的电化学性能测试30-31
• 2.3.1 电池充放电测试（Charge-Discharge）30
• 2.3.2 循环伏安测试（CV）30-31
• 2.3.3 交流阻抗谱测试（EIS）31
• 2.4 形貌与结构的表征31-34
• 2.4.1 扫描电子显微镜（SEM）31-32
• 2.4.2 透射电子显微镜（TEM）32
• 2.4.3 傅里叶红外光谱（FTIR）32
• 2.4.4 X 射线衍射（XRD）32
• 2.4.5 拉曼光谱（Raman）32
• 2.4.6 X 射线光电子能谱（XPS）32-33
• 2.4.7 热重（TGA）33-34
• 第三章 还原氧化石墨烯气凝胶的制备34-52
• 3.1 还原氧化石墨烯气凝胶的制备35-37
• 3.1.1 氧化石墨烯的制备35-36
• 3.1.2 还原氧化石墨烯气凝胶及其电极片制备36-37
• 3.2 氧化石墨烯和还原氧化石墨烯气凝胶的形貌、结构表征37-46
• 3.2.1 扫描电子显微镜（SEM）37-39
• 3.2.2 透射电子显微镜（TEM）39
• 3.2.3 原子力显微镜（AFM）39-40
• 3.2.4 X 射线衍射（XRD）40-42
• 3.2.5 红外吸收光谱（FTIR）42-43
• 3.2.6 X 射线光电子能谱（XPS）43-45
• 3.2.7 拉曼激光光谱（Raman）45-46
• 3.3 还原石墨烯气凝胶的电化学性能测试46-50
• 3.3.1 循环伏安测试（CV）与交流阻抗谱（EIS）46-47
• 3.3.2 充放电循环曲线（Charge-Discharge）47-50
• 3.4 本章小结50-52
• 第四章 还原氧化石墨烯/硅纳米颗粒复合负极材料的电化学性能研究52-64
• 4.1 石墨烯/硅纳米颗粒复合负极材料的制备53-54
• 4.2 还原氧化石墨烯/硅纳米颗粒气凝胶复合材料的形貌与结构表征54-59
• 4.2.1 扫描电子显微镜（SEM）54-56
• 4.2.2 透射电子显微镜（TEM）56-57
• 4.2.3 X 射线衍射（XRD）57-59
• 4.3 还原氧化石墨烯/硅纳米颗粒气凝胶复合材料的电化学性能测试59-62
• 4.3.1 循环伏安测试（CV）59-60
• 4.3.2 充放电循环测试（Charge-Discharge）60-62
• 4.4 本章小结62-64
• 第五章 结论64-66
• 参考文献66-74
• 致谢74-76
• 攻读学位期间发表的学术论文及参与的科研项目76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 张金章;黄艺吟;郭永榔;;负极材料石墨/SnO_2/无定形碳的电化学性能[J];电池;2010年04期

2 李昌明;赵灵智;刘志平;张仁元;李伟善;;锂离子电池碳纳米管负极材料储锂性能研究[J];化工新型材料;2009年06期

  本文关键词：石墨烯基锂离子电池负极材料的制备与性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：326099